PROPOSTA PARA IMPLANTAÇÃO DE REDE GSM EM ÁREAS URBANAS

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1 PROPOSTA PARA IMPLANTAÇÃO DE REDE GSM EM ÁREAS URBANAS Servolo Dantas Filho Uberlândia, Dezembro/ 2002.

2 PROPOSTA PARA IMPLANTAÇÃO DE REDE GSM EM ÁREAS URBANAS Servolo Dantas Filho Monografia apresentada ao Curso de Ciência da Computação do Centro Universitário do Triângulo - Unit, como requisito básico à obtenção do grau de Bacharel em Ciência da Computação, sob a orientação do Prof. Alex Dias, Msc. Uberlândia, Dezembro/ 2002.

3 PROPOSTA PARA IMPLANTAÇÃO DE REDE GSM EM ÁREAS URBANAS Servolo Dantas Filho Monografia apresentada ao Curso de Ciência da Computação do Centro Universitário do Triângulo - Unit, como requisito básico à obtenção do grau de Bacharel em Ciência da Computação. Alex Dias, Msc. (Orientador) Ronan Marcelo Martins, Dsc. (Avaliador) Mônica Rocha Ferreira de Oliveira, Msc. (Avaliador) Marcos Ferreira de Rezende, Dsc. (Coordenador de Curso)

4 Uberlândia, Dezembro/ Dificuldades reais podem ser resolvidas; apenas as imaginárias são insuperáveis. Theodore N. Vail.

5 Dedico este trabalho a minha família e minha namorada Arlene que tanto incentivaram-me a persistir na luta, mesmo em momentos tão difíceis.

6 Agradeço a Deus e a todas as pessoas que apoiaram-me nesta caminhada, pois, são com pensamentos e palavras otimistas que um homem encontra forças para prosseguir. Obrigado, Prof. Alex Dias, pela paciência e por minha formação acadêmica. RESUMO Neste trabalho é realizado um estudo sobre redes celulares, com foco no padrão GSM/GPRS. Primeiramente, é apresentado um histórico do serviço móvel celular, sistemas precursores e sua evolução. Em seguida, são expostos os principais conceitos dos padrões mais difundidos, suas características e especificações, bem como nomenclaturas e simbologias. Depois, será apresentado o padrão de rede GSM e sua evolução para redes de pacotes - GPRS - classificada comercialmente como rede 2,5 G. O sucesso ou não deste padrão junto ao mercado irá determinar o ritmo de evolução dos sistemas celulares rumo a 3G. Próximo a esta nova filosofia de rede (comutada por pacotes), vários serviços surgem como tendência, principalmente, a internet móvel com acesso pleno (planos flat rate) e não mais por acesso

7 discado. São apresentadas, também, algumas dessas novas tendências que estão relacionadas ao sistema celular 3G. Logo após, é realizado estudo de uma proposta para implementação de rede GSM em áreas urbanas, com objetivo garantir a qualidade do sistema, visando atender a capacidade de tráfego, cobertura de sinal e evitar possíveis focos de interferência, entre outros. Finalmente, o estudo permitirá a visualização das características das redes 2,5G e o caminho de evolução para 3G, possibilitando aos leitores se situarem perante a estes padrões de rede. SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... xi LISTA DE TABELAS... xii LISTA DE SIGLAS... xiii 1. INTRODUÇÃO História da Telefonia Celular Divisão do Trabalho... 25

8 2. SISTEMA CELULAR AMPS/FDMA IS-136/DAMPS IS-95/CDMA GSM EDGE CDMA WCDMA G (Sistemas Móveis de Terceira Geração) SMS WAP Bluetooth EM/MS (Estação Móvel/Mobile Station) ERB/BTS (Estação Rádio Base/Base Transmission Station) CCC/MSC (Central de Comutação/Mobile Switch Center) Handoff Roaming IS-41/MAP Conclusão ARQUITETURA CELULAR GSM Componentes de uma Rede GSM Estação Móvel Subsistema Estação Base - BSS (ERB/RBS/BTS/BSC) Subsistema Rede Estrutura de Canais (Interface de Ar) Codificação de Canal e Voz Tipos de Rajadas GSM Canais Lógicos... 47

9 Raio Máximo de uma Célula Avanço de Tempo e Atenuação (Controle de Potência) Procedimento de Estabelecimento de Chamada Atualização de Localização Codificação da Voz Gerações de Sistemas GSM Sistemas GSM Geração Sistemas GSM Geração GPRS GSM X GPRS PCU (Packet Control Unit) - Unidade de Controle de Pacote GPRS Support Nodes Serving (SGSN)/Gateway (GGSN) Taxas de Transmissão de Dados em GPRS Conclusão ESTUDO DE CASO Proposta para Implantação de Rede GSM em Áreas Urbanas Introdução Requisitos de Serviço Qualidade de Cobertura Qualidade de Tráfego Premissas de Projeto Tráfego Faixa de Freqüência Configuração dos Elementos de Rede Considerações Técnicas Configuração das Estações Planejamento de Freqüência Modelo de Propagação... 72

10 4.5. Balanceamento do Sistema Níveis de Intensidade de Sinal Ferramenta de Predição de RF CelPlanner Projeto Final Conclusão CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 79

11 LISTA DE FIGURAS Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura

12 LISTA DE TABELAS Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela

13 LISTA DE SIGLAS 1XVE-DO 1 X 1,25MHZ (Data Only) 1XVE-DV 1 X 1,25MHZ (Data and Voice) 2G Sistemas Móveis de Segunda Geração 3G Sistemas Móveis de Terceira Geração AGCH Access Grant Channel AM Amplitude Modulation AMPS Advanced Mobile Phone Service ANP Elementos do Sistema Irradiante ANSI-IS41 American National Standarts Institute International Standart 41 APC American Personal Communications AuC Autentification Center BCCH Broadcast Control Channel BER Bit Error Rate BSC Base Station Controller BSCC Base Station Color Code BSIC Base Station Identity Code BSS Sistema de Estação Base BTS Base Transmission Station ou Base Transceiver Station C/I C450 Canal/Interferência Analogue Mobile Communication System C-Network CAMEL Customised Applications for Mobile Networks Enhanced Logic

14 CCC Central de Comutação e Controle CCCH Common Control Channels CDMA Code Division Multiple Access CEPT Conference of European Posts and Telegraphs CPA Controlado por Programa Armazenado CSD Slots Circuit Switched Data CUG Fechado de Usuários Closed User Group Grupo DAMPS Division Advanced Mobile Phone Service DBI Decibel Relative an Isotropic Antenna DCCH Canais de Controle Dedicados DCS Digital Cellular System EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution E-GSM GSM de banda estendida EIA Eletronic Industry Association EIR Equipment Identity Register EIRP Effective Isotropic Radiating Power EM ERB Estação Móvel Estação Rádio Base ESN ETSI Eletronic Serial Number European Telecommunication Standards Institute F.C.C. Federal Communication Commission

15 FACCH Fast Associated Control Channel FCCH Frequency Correction Channel FDMA Frequency Division Multiple Access FM Frequency Modulation FS Full-rate Speech Channel GGSN Gateway GPRS Support Node GMSK Gaussian Minimum Shift Keying GoS Grau de Serviço GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile GSM Group Special Mobile GSN GPRS Service Node HLR Home Location Register HS Half-rate Speech Channel HSCSD High Speed Circuit Switched Data IDSN Integrated Services Digital Network IMEI International Mobile Equipment Identity IMSI International Mobile Subscriber Identity IMT-2000 International Mobile Telecommunications Union years 2000 IMTS Improved Mobile Telephone Service IN Internet Network IP Internet Protocol IS-136 International Standart - 136

16 IS-41 International Standart - 41 IS-95 International Standart - 95 ISDN Integrated Services Digital Network ITU International Telecommunication Union LPC Linear Predictive Coding LPT Long-term Prediction MAC Medium Access Control MAHO Mobile Assisted Handoff MAP Mobile Application Part MC Message Center MCS Mobile Communication System MO Mobile Originated MS Mobile Station MSC Mobile Switching Center MT Mobile Terminated NCC National Color Code NMT Nordiska Mobil Telefongruppen ou Nordic Telephone Mobile O & M Operação & Manutenção OSI PCH Open System Interconnetion Paging Channel PCN Packet Code Network PCS Personal Communication Services PCU Packet Control Unit ou Unidade de Controle de Pacote

17 PSTN Public Switch Teleplone Network QoS Qualidade de Serviço RACH Random Access Channel RAS Remote Access Service RBS Radio Base Station RDSI Rede Digital de Serviços Integrados RF Radio Frequency RLC Radio Link Control RPP Radio Packet Processing RTT Round - Trip Time SACCH Slow Associated Control Channel) SCH Synchronization Channel SDCCH Standalone Dedicated Control Channel SGSN Serving GPRS Support Node SIM Subscriber Identity Module SMC Serviço Móvel Celular SMP Serviço Móvel Pessoal SMS Short Message Service SMSC TACS Short Message Service Center Total Access Communication System TCH Traffic Channel TCU Transmission Control Unit TDD Telecommunications Device for Deaf

18 TIA Telecom Industry Association TRAU Transcoder and Rrate Adapter Unit UMTS Universal Mobile Telecommunication System UTRA Universal Terrestrial Radio Access VHF Ultra High Frequency VLR Visit Location Register WAP Wireless Application Protocol WCDMA Wideband Code Division Multiple Access WML Wireless Markup Language

19 1 Introdução O objetivo deste trabalho é conceituar os diferentes tipos de sistemas móveis celulares, especificamente, o GSM (Global System for Mobile), com introdução do nó GPRS (General Packet Radio Service), de modo a contribuir com informações sobre esta nova tecnologia em expansão, inclusive, os novos serviços. Também mostrar a arquitetura desta tecnologia, aplicações, dificuldades de evolução e tendência de migração dos sistemas móveis usados pelas operadoras, bem com o estudo de uma proposta para implementação de rede GSM em áreas urbanas. O Sistema celular em geral é um dos maiores avanços em sistemas de comunicações móveis, e a cada dia vem se tornando uma peça importante para todos os setores da sociedade. Para começar será apresentado um pouco da história da telefonia celular História da Telefonia Celular A telefonia móvel originou-se a partir do sistema de rádio comunicação móvel, implantada inicialmente no ano de 1921 no Departamento de Polícia da cidade de Detroit - USA. Com a evolução tecnológica desenvolvida, principalmente, pelos laboratórios da Bell Telefonic, transformou-se em sistema de telefonia móvel que tinha como princípio fazer com que um assinante móvel tivesse acesso ao sistema de telefonia pública existente e vice-versa. [1] Desta forma surge uma terminologia no sistema de telefonia - o assinante móvel - que por definição, é todo usuário que se movimenta a pé, em automóvel, trem, navio etc. Este sistema foi adotado por vários países no mundo a partir dos anos 50.

20 8, 9] A evolução cronológica do sistema de telefonia móvel no mundo foi a seguinte: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, Hertz faz suas demonstrações eletromagnéticas; Marconi percebe o alcance da descoberta de Hertz e realiza transmissões de seu barco para a sua ilha a 18 milhas da costa; Viaturas da polícia civil de Detroit utilizam o rádio para comunicar-se com o quartel central (sistema de rádio broadcasting). Foi o primeiro uso significativo de um rádio móvel em um veículo nos Estados Unidos. O sistema operava a uma freqüência próxima de 2 MHz. Os canais logo se tornaram congestionados; Dado o êxito da experiência, a polícia civil de New York adota o sistema; O F.C.C. (Federal Communication Commission) autoriza o uso experimental; O F.C.C. regulamenta o uso do sistema; Novas freqüências entre 30 e 40 MHz foram disponibilizadas. O aumento da disponibilidade de canais encorajou um substancial crescimento dos sistemas usados pela polícia. Pouco depois, outros usuários descobriram a necessidade desta forma de comunicação. Pessoas comuns, companhias e agentes públicos compraram e operaram suas próprias unidades móveis; Os laboratórios Bell iniciam um programa experimental orientado para telefonia móvel na faixa de

21 150 MHz. Primeiro sistema público de telefonia móvel foi inaugurado nos Estados Unidos, em St. Louis com três canais. Seis canais de 60 khz foram alocados para este serviço pelo FCC, mas o equipamento móvel não era sofisticado o suficiente para prevenir interferência; O F.C.C. autoriza o uso comercial da telefonia móvel pela AT&T nas cidades de Green Baby, Wisconsin e St. Louis, Missouri; É apresentado o conceito de telefonia celular pela Bell Labs. Um sistema é implantado na rodovia New York - Boston onde este sistema móvel público utiliza freqüências entre 35 a 44 MHz. Estas freqüências foram idealizadas para percorrer longas distâncias, entretanto, um problema de propagação devido à distância causou interferências no sistema. Este aparelho usava o sistema push-to-talk; Com o surgimento da televisão, o F.C.C. resolve utilizar a faixa de MHz e criar 70 novos canais de 6 MHz cada para as emissoras de TV. Neste mesmo ano, na cidade de Detroit, uma companhia de táxi instalou um sistema similar ao sistema celular proposto pelo Bell Labs. Fazendo reuso de freqüências em células alternadas de pequena área de cobertura conseguiu-se grandes ganhos de capacidade. Entretanto, a troca de células durante o deslocamento era feita de forma manual; F.C.C. estreita os canais - dos 120 KHz que o FM (freqüência Modulada) original necessitava, para 60 KHz; 1955/ A evolução tecnológica permite a ampliação dos serviços; F.C.C. autoriza novos canais de 50 KHz, na faixa de 450 KHz, para a telefonia móvel; Melhoria dos receptores FM, o F.C.C. reduz a largura de canais: FM para 30 KHz e UHF (Ultra High Frequency) para 25 KHz; 1962/ O sistema é automatizado. O F.C.C. nomeia a Advisory Commitee for Land Mobile Radio

22 Services para melhorar o sistema de telefonia móvel, sem ocupação de novos canais; A introdução do sistema experimental o IMTS (Improved Mobile Telephone Service) que foi uma experiência bem sucedida implementada em diversos centros metropolitanos. As principais características eram: transmissor de alta potência, operação Full-Duplex, comutação automática, operação entre MHz com canais de 30 KHz; Nasce o AMPS (Advanced Mobile Phone Service), permitindo o surgimento do Sistema Móvel Celular; Proposta apresentada pela AT&T, onde os estudos demonstram a viabilidade técnica do Serviço Móvel Celular (SMC) com padrão de acesso AMPS; F.C.C. regulamenta o serviço; F.C.C. libera uma banda de 40 MHz entre 800 e 900 MHz para a telefonia móvel. Posteriormente, esta banda foi ampliada ficando entre MHz, faixa utilizada pelo AMPS. Nesta época a AT&T anuncia a implantação de um SMC na cidade de Chicago; Em Nova York, o sistema Bell Labs, só consegue atender 543 assinantes de telefonia móvel; F.C.C. autoriza o uso comercial do Serviço Móvel Celular; Primeiro sistema celular é testado nos Estados Unidos;

23 No Japão foi desenvolvido o sistema MCS (Mobile Communication System); Na década de 80, vários sistemas de telefones celulares analógicos foram desenvolvidos na Europa, especialmente na Escandinávia, Reino Unido, França e Alemanha. Com diversos sistemas instalados, surgiu a incompatibilidade entre eles devido à forma de envio de dados, protocolos e freqüência de comunicação Nos países nórdicos foram desenvolvidos o NMT (Nordiska Mobil Telefongruppen); NMT450 (Nordic Mobile Telephone) entra em operação na faixa de 450 MHz e já possui mudança de célula e área de abrangência automática. Este sistema apresenta-se como um dos padrões europeus diferentes do AMPS; No Reino Unido, Itália, Áustria, Espanha e Irlanda foram desenvolvidos e adotados o sistema TACS (Total Access Communication System) na freqüência de 900 MHz. Nos Estados Unidos, são aprovadas as regras finais para a implantação do sistema móvel celular. Devido à diversificação e a não compatibilidade das tecnologias criadas na Europa é realizada a CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) onde se formou um grupo denominado GSM (Group Special Mobile), com o objetivo de estudar e desenvolver um sistema móvel que obedecesse alguns padrões: Boa qualidade de voz; Eficiência espectral; Terminais pequenos e baixos custos; Suporte para roaming internacional; Capacidade para suportar handheld terminais; Suportar uma larga área de novos serviços e utilidades; Compatibilidade IDSN (Integrated Services Digital Network).

24 O AMPS é colocado em funcionamento pela AT&T na cidade de Chicago, onde foi o primeiro sistema de telefonia neste padrão; Bell Labs é quebrada em oito empresas menores (Lei Anti-Trust). A AT&T se retira dos negócios de operadora; Na Alemanha e Portugal, é implantado o padrão de acesso C 450 em 1985; A responsabilidade de gestão do GSM passa para o ETSI (European Telecommunication Standards Institute); Publicadas as especificações do GSM. Este padrão generalizou-se, então, pelo resto do mundo. Primeira versão comercial do padrão GSM (phase 1): serviços básicos de voz, fax e dados por comutação de circuitos a baixas taxas (9,6 Kbps); As operadoras já dispunham de redes GSM muito antes da data marcada pela GSM Association para o início dos serviços em janeiro de Começaram a funcionar em 1992, quando os fornecedores de aparelhos celulares disponibilizaram os terminais compatíveis com o GSM. A primeira rede GSM a funcionar foi na Alemanha. Na mesma época começa a operar o primeiro sistema digital o DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone System), em Hong Kong na mesma faixa de freqüência (800 MHz) do sistema AMPS (Advanced Mobile Phone System); Adição de serviços suplementares via RDSI; melhorias no protocolo MAP para compatibilidade com GSM phase1; evoluções além do GSM phase 2; especificação do vocoder half-rate para aumento de eficiência espectral; GSM-R ou R-GSM inclusão dos serviços GSM nas bandas destinadas a transporte ferroviário (Railways bands);

25 Várias evoluções (mais de 80 itens) em relação à versão anterior, por exemplo: melhorias na codificação da voz, serviços de chamadas entre grupos fechados (CUG), transmissão de dados por comutação de pacotes a taxas mais elevadas, serviços de IN (Intelligent Network); 1999 Até hoje, HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) e CAMEL (Customised Applications for Mobile Networks Enhanced Logic) a 57,6 Kbps. Possibilidade de alocação de banda por demanda (HSCSD) e atribuição de serviços com taxas até 115 Kbps; Conceito EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution) a 384 Kbps. Diferentes modulações com objetivo atingir maiores taxas de dados; GPRS melhorado (EGPRS); UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, RTT UTRA do IMT-2000, com tecnologia CDMA) com taxas de 144 Kbps a 2 Mbps conforme requisitos do IMT Estágio final do GSM rumo a 3G. A evolução cronológica do sistema de telefonia móvel no Brasil começou bem depois: [10, 11, 12] Criação de um grupo para estudo da telefonia móvel onde são realizadas pesquisas com tecnologia IMTS, instalado em Brasília com baixa capacidade; As operadoras do sistema Telebrás são eleitas responsáveis pelo serviço e definem as especificações deste sistema para o país; Começa a implantação do serviço móvel, em teste, por São Paulo;

26 Devido às dificuldades, a Telebrás decide pelo sistema AMPS. Inicialmente, o sistema implantado foi o analógico, obedecendo rigorosamente à formatação em uso nos EUA. Posteriormente, com o aumento da demanda, o Ministério das Comunicações expande a banda de freqüência para o SMC (Sistema Móvel Celular) e utiliza o padrão E-AMPS. O primeiro sistema comercial de telefonia celular no Brasil foi implementado no Rio de Janeiro; Com a abertura de mercado de telefonia móvel, o espectro de freqüência foi dividido em duas bandas: a Banda A de MHz, abrangendo os canais de 1 a 333 e a Banda B de MHz, abrangendo os canais de 334 a 666. Ambas as bandas possuem uma faixa expandida (E- AMPS) que varia para a Banda A de a MHz, abrangendo os canais de 991 a 1023 MHz, e a Banda B de a MHz abrangendo os canais de 717 a 799. Nesta mesma época a Anatel não impõe regras quanto a migração para o sistema de 2G o novo sistema digital, onde as operadoras de telefonia celular ficaram livres para escolher o padrão que melhor se adapta a sua situação. Devido às licenças já compradas na faixa de 800 MHz, as operadoras optaram algumas pelo TDMA e outras pelo CDMA; Licitação da Banda C de telefonia Celular na faixa de 1,8 GHz para comunicação PCS (Personal Communications Services) com utilização da tecnologia GSM Européia. Nesta licitação não houve candidatos devido às regras e preços para obtenção das licenças; Visando aumentar a competição na telefonia celular a ANATEL lança licitações para as Bandas D e E, onde as operadoras de telefonia fixa que cumpriram as suas metas também poderiam se candidatar. A TIM (Telecom Itália Mobile) e a Telemar (Grupo Brasileiro) ganharam a licitação; Entra em funcionamento a tecnologia GSM com o GPRS com ativação dos serviços nas bandas D e E através das operadoras OI e TIM Divisão do Trabalho

27 Este trabalho contém 5 (cinco) capítulos. O primeiro capítulo descreve o objetivo do trabalho e apresenta a história da Telefonia Celular, o processo inicial até os dias de hoje, inclusive a evolução deste sistema no Brasil. No segundo capítulo, conceituam-se os diversos sistemas celulares existentes bem como alguns termos importantes usados na telefonia celular. No terceiro capítulo mostra-se a estrutura da rede GSM/GPRS e os serviços disponibilizados. O quarto capítulo aborda um estudo para uma proposta de implementação de rede GSM em áreas urbanas, onde é calculada a quantidade mínima de estações para uma cidade de porte médio. No quinto capítulo é apresentada a conclusão final do trabalho. 2- Sistema Celular

28 O Sistema Celular consiste na divisão de áreas a serem cobertas por um sistema de telefonia móvel em regiões menores chamadas células, que compõem a área de cobertura, permitindo a utilização de transmissores de baixa potência e emprego eficiente do espectro por meio de reuso de freqüência. Geralmente é representada na forma hexagonal (fictícia) de igual tamanho e de tal forma que a estação rádio base (ERB) esteja localizada no centro da mesma. Cada célula possui o seu equipamento de rádio (ERB), onde emite e recebe informações das estações móveis (EM) e as envia à central de comutação e controle (CCC). Com isto, a distância entre a estação rádio-base e os terminais móveis é menor, usando potência de transmissão baixa e as freqüências utilizadas em uma célula podem ser reutilizadas em outras células da mesma área, de acordo com determinadas regras. Logo abaixo serão mostrados vários conceitos e termos usados na telefonia celular para um melhor entendimento onde o foco será depois a tecnologia GSM AMPS/FDMA AMPS (Advanced Mobile Phone System) é um padrão de acesso ao sistema celular analógico onde a multiplexação é feita em freqüência FDMA (Múltiplo Acesso por Divisão de Freqüência). Nesse tipo de acesso, o espectro de freqüência disponível é dividido em faixa relativamente estreita, que são os canais. Um destes canais é alocado a um usuário no momento da realização da chamada. Cada sinal de informação a ser enviado modula uma portadora distinta, onde estas moduladas são agrupadas e transmitidas. Na recepção, os sinais de cada usuário são separados por filtros passa-faixa adequados. A interferência entre canais adjacentes é determinada pelo desempenho dos filtros utilizados e pela separação entre as portadoras. Como os filtros não são ideais, o sinal de um determinado canal não estará totalmente confinado dentro de sua banda, existindo sempre um certo grau de interferência mútua. Para minimizar as interferências, além da filtragem, também são utilizadas algumas técnicas como a estratégia de seleção de modos de propagação e filtragem espacial com antenas diretivas. No sistema celular AMPS, o espectro é dividido em canais de 30 KHz de largura. A F.C.C. (Federal Communications Commission) reservou 50 MHz na banda de 800 MHz, com separação de canais de transmissão e recepção de 45 MHz (distância duplex) para a telefonia celular, dividindo em duas bandas, 'A' e 'B'. [13]

29 2.2 - IS-136 / DAMPS DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) é um padrão de acesso ao sistema celular digital que utiliza multiplexação temporal, onde mais de uma EM pode utilizar o mesmo canal de voz simultaneamente, que nada mais é que, a evolução digital sobre o sistema AMPS. IS-136 é nome do padrão definido pela TIA/EIA (Telecommunications Industry Association/Eletronic Industry Association), mas, conhecido comercialmente por DAMPS. A modulação neste sistema é feita por acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) em cima da estrutura já apresentada do padrão AMPS, onde cada usuário dispõe de toda a faixa de freqüência durante um determinado período de tempo denominado slot (janela). Este tipo de acesso segue o mesmo princípio do sistema PCM, onde um sinal limitado em faixa pode ser definido por um conjunto de amostras tomadas a intervalos de tempo. Amostras de outros sinais podem ser intercaladas na transmissão e também recuperadas na recepção através de um detector síncrono adequado IS-95 /CDMA CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Código) é um padrão de acesso ao sistema celular digital em que todos os usuários utilizam a mesma faixa de freqüência para as suas comunicações, definido como pela TIA/EIA como IS-95. Dessa forma, não é possível determinar um usuário pelo domínio da freqüência (como no FDMA) ou no domínio do tempo (como no TDMA). A diferenciação é provida por um código particular e esta característica que determina o nome da técnica de modulação CDMA (Code Division Multiple Access). A separação entre usuários é feita através de um código (seqüência pseudo-aleatória) associado a cada um deles. A minimização da interferência entre usuários é obtida através de uma escolha criteriosa dos códigos utilizados e baseado em técnicas de espalhamento espectral (spread spectrum) que consiste na combinação do sinal de informação com código, cuja taxa é bem superior. O resultado é um espalhamento da informação em uma maior banda (1,25MHz) do espectro. Com isto, há uma superposição de diversos sinais espalhados dentro da mesma banda e, na recepção, a qualidade do sinal recuperado de um usuário dependerá da relação de níveis entre

30 seu sinal e a somatória dos sinais dos demais usuários GSM GSM (Global System for Mobile) um sistema móvel celular, de caráter pan-europeu que emprega tecnologia digital. A especificação básica deste padrão digital, ou padrão GSM como ficou conhecido, incluí a técnica de acesso TDMA. Atualmente, este padrão é adotado pela Europa, Austrália, por diversos países asiáticos, América e inclusive pelo Brasil com a entrada em operação do serviço SMP (PCS) das bandas D e E. [14] No capítulo 3, serão especificadas e conceituadas as características desta arquitetura EDGE EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution) trata-se de uma tecnologia que permite às redes GSM suportar e oferecer serviços de terceira geração de telefonia móvel e foi desenvolvida para capacitar a transmissão de uma grande quantidade de dados a altas taxas de velocidade (384 Kbps). Utiliza a mesma técnica de acesso TDMA, mas com largura de banda de 200 KHz.. Permite a evolução das redes atuais aos padrões 3G e oferece serviços de internet móvel adequando sua infra-estrutura celular existente, sendo mais um caminho para conseguir alta velocidade na transmissão de dados, seja em uma rede independente ou em combinação com WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). [15]

31 2.6 - CDMA 2000 CDMA 2000 é um padrão CDMA (Code Division Multiple Access) baseado nos protocolos IS-95 e ANSI-IS41. O primeiro passo na evolução para 3G é o CDMA X, o qual incrementa taxas de transmissão de dados via pacotes e aumenta a velocidade da rede bem como, duplica a capacidade de tráfego de voz se comparado às redes CMDA de hoje. 1X significa um vezes 1.25 MHz, a largura de banda padrão de uma operadora CDMA IS-95, e velocidade de até 144Kbps. Uma rede CDMA 2000 é composta de componentes de interface aérea 1X e um backbone de dados PCN (Packet Core Network). O CDMA 2000 PCN segue o mesmo princípio de construção de uma rede GPRS (General Packet Radio System). O próximo passo na evolução do CDMA 2000 é chamado CDMA XEV ou CDMA X. Este será dividido em duas fases: 1XVE-DO (Data Only), voltado para tráfego de dados em alta velocidade; e 1XVE-DV (Data and Voice), combinando voz e dados em alta velocidade numa mesma freqüência ou carrier. 1XVE-DO permitirá maiores velocidades de dados para usuários CDMA de uma operadora dedicada a tráfego de dados até 2 Mbps. 1XEV-DV irá oferecer alta velocidade para transmissão de dados e voz simultâneos numa mesma operadora, além da possibilidade de oferecer serviços de dados em tempo real e o acesso simultâneo de diversos serviços de voz e vídeo. [16] WCDMA O WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) é o padrão de acesso de maior consenso nos organismos mundiais responsáveis pelas definições dos padrões 3G, tal como o UMTS, como uma tecnologia de interface de rádio de banda larga que provê velocidades de dados até 2 Mbps. É definida como a próxima geração celular da IMT-2000 (Internacional Mobile Telecommunications Union years 2000) cuja padronização pertence ao ITU e representa o potencial completo da 3G, tornando viável o acesso a diversos serviços simultâneos. As redes baseadas em GSM e TDMA também podem evoluir através do WCDMA. A camada de comutação destas redes, evoluídas através do GPRS podem ser reutilizadas pelo WCDMA que requisitará a introdução de novos terminais celulares.

32 Com taxas de velocidades de transmissão de dados até 100 vezes superiores às taxas das redes móveis de hoje, o sistema WCDMA habilita uma nova geração de serviços que misturam diferentes elementos de mídia, incluindo voz, vídeo, som digital, cor, imagens e animações. Permitirá também o uso mais eficiente do espectro de rádio, se comparado às outras técnicas de rádio disponíveis, hoje. [17] 2.8-3G (Sistemas Móveis de Terceira Geração) 3G é um termo genérico que cobre várias tecnologias para redes de telefonia sem fio do futuro, incluindo CDMA 2000, UMTS, WCDMA GPRS e EDGE com a introdução da comunicação de rádio banda larga e velocidades de acesso de até 2 Mbps. Combina acesso móvel de alta velocidade com serviços baseados em IP (Internet Protocol). Capacitará novos caminhos para comunicação, informação de acesso, condução de negócios e aprendizagem, desde a multimídia móvel até a comunicação entre máquinas, providenciando o acesso a serviços avançados em qualquer lugar, a qualquer hora e livre dos limites dos cabos, pontos de acessos fixos e conexão de baixa velocidade.[18] Abaixo, têm-se os vários termos genéricos para cada tecnologia: 1G - Redes analógicas; 2G - Redes com serviços digitais; 3G - Redes com serviço de pacotes de altas velocidades. Foi criado o termo 2,5G para definir uma fase de transição entre 2G e 3G, como sendo redes 2G convivendo com serviços de pacotes de taxas médias SMS SMS (Short Message Service) é o serviço de mensagens curtas que possibilita enviar ou receber pequenas mensagens de até 160 caracteres num telefone celular digital. A maioria dos aparelhos TDMA, CDMA e GSM tem a capacidade de enviar mensagens curtas MO (Mobile Originated) e não apenas

33 mensagens recebidas MT (Mobile Terminated). Geralmente é necessário contratar este serviço na sua operadora. Dentre suas principais características tem-se: [19] O envio de correio de voz e avisos de fax a telefones celulares; Mensagens via internet através de uma interface para Web; A MC (Message Center) interage com servidores ou gateways de internet para receber s e mensagens curtas enviadas pela web; Oferece paging aos assinantes eliminando potencialmente a necessidade destes terem que fornecer o número de seus celulares; Envia mensagens de ou avisos de a telefones celulares; Permite aos assinantes interação com uma operadora, central de mensagens ou sistema interativo de resposta de voz para enviar suas mensagens WAP WAP (Wireless Application Protocol) é um padrão aberto global que permite aos usuários móveis utilizar os serviços de internet móvel através de aparelhos celulares portáteis, possibilitando o acesso às informações sem discriminação de marcas, padrões, freqüências ou plataformas, sem a necessidade de conectar-se a um laptop ou aparelhos para conexão de dados. O WAP torna isto viável através de um microbrowser interno no aparelho e um padrão sintético chamado WML que permite que as informações sejam acessadas direto de um telefone móvel, da mesma maneira que web browsers provêm acesso para serviços on-line via internet onde uma tela WAP sempre apresenta um número de links para vários serviços ou portais de informação. Ao acessar, por exemplo, um serviço bancário, por um celular ou palmtop WAP, a solicitação de voz é reconhecida pela ERB (estação rádio-base) mais próxima, como um pacote de dados. Este pacote entra na rede da operadora pelos canais convencionais de voz, mas é direcionado ao switch da operadora de telefonia, equipado com CSD (Slots Circuit Switched Data). O CSD limpa todos caracteres de controles de voz, para dados enviando o pacote a um servidor de acesso remoto RAS (Remote Access Server). O RAS, por sua vez, empacota os dados em endereços IP, que são traduzidos pelo WAP Gateway para a linguagem wireless. O Gateway faz a comunicação com o banco que oferece conteúdo

34 para WAP, em WML. A informação percorre o caminho inverso, chegando ao terminal do usuário à velocidade média de transmissão de 9.6 Kbps para sistemas de 2G. [20] Bluetooth Bluetooth é uma tecnologia de rádio de curto-alcance criada pelo consórcio Bluetooth SIG (Special Interest Group) liderados pela Ericsson, Nokia, IBM, Intel e Toshiba em meados de 1998 e desenvolvida, hoje, por diversas companhias. Possibilita a transmissão de dados em curtas distâncias entre telefones, computadores e outros aparelhos eletroeletrônicos, simplificando a comunicação e a sincronização entre estes aparelhos e substituindo muito dos fios e cabos que são usados em casa e no escritório para conectar aparelhos qualquer aparelho digital que use um chip Bluetooth. Fornece uma conexão universal para redes de dados existentes, possibilitando a formação de pequenos grupos privados de aparelhos conectados entre si. A tecnologia de rádio do Bluetooth usa um sistema de freqüência de sinal de 2,4 GHz que provê um link seguro e robusto, mesmo em ambientes com alto ruído e de grande interferência e com área de alcance para reconhecimento de dispositivos entre 10 a 100m. [21] EM/MS (Estação Móvel/Mobile Station) A estação móvel é o terminal móvel celular composto por um monofone, teclado, unidade de controle, bateria, microfone, cápsula receptora de áudio, unidade de rádio e antena. Sua função principal é fazer a interface eletromecânica entre o usuário e o sistema. Este equipamento pode ser classificado como portátil, veicular ou transportável, dependendo de sua dimensão e capacidade de potência e carga (bateria). Este equipamento possui, registrado, todos os dados necessários a sua operação como: número do telefone, ESN (Eletronic Serial Number), padrões de acesso que deve obedecer e etc. No caso do GSM

35 esses dados estão armazenados no cartão SIM (Subscriber Indentity Module), que é um conjunto de parâmetros especiais que correspondem a um aparelho específico. Possui também identificação única mundial o IMSI (International Mobile Subscriber Identity), que só aquele aparelho possui, desta forma, cada EM possui o seu IMSI e não existe outro igual no mundo, podendo chamar de "DNA" do EM ERB/BTS (Estação Rádio Base/Base Transmission Station) A estação rádio base é a repetidora da informação de voz e dados de controle em meio eletromagnético. É responsável por fazer a interface entre uma CCC (Central de Comutação e Controle) e diversas EM s. Cada ERB pode suportar até 154 canais de voz dependendo do fabricante, sistema e de sua aplicação. É composta de um sistema de rádio contendo receptores (Rx), transmissores (Tx), combinadores, divisores, filtros, antenas, sistemas de processamento e controle, cabos coaxiais, painel de controle, e interface com a CCC através de feixes a 2 Mbps ou taxa maior. Também realiza a monitoração do sinal recebido de uma EM a CCC, onde qualquer alteração indesejável em relação à potência ou à interferência no sinal recebido é enviada para a CCC, inclusive o controle de potência da EM, comandos recebidos da CCC e etc CCC/MSC (Central de Comutação e Controle/Mobile Switch Center) A Central de Comutação e Controle faz a interface entre o Sistema Móvel e a Rede Pública. Sua estrutura é semelhante a das centrais telefônicas de comutação automática (CPA), onde alguns fabricantes as adaptaram ao sistema móvel sendo que, em alguns casos, apenas modificações em nível de software. Pelas características de modularidade, a CCC pode ser expandida gradualmente até atingir sua capacidade máxima de gerência de tráfego ou ERB s. Devido à existência de vários padrões, arquiteturas, serviços e sistemas, padronizaram-se o protocolo de comunicação IS-41/MAP para interligar as CCC s de fabricantes diferentes. Caracteriza-se a CCC pelos equipamentos de entrada e saída de dados, interface de áudio e dados para a ERB, terminais de operação e manutenção, memória, troncos, matriz de comutação e controlador. O Controlador é composto do HLR, VLR e MSC. O HLR (Home Location Register) é a base de dados

36 dos assinantes onde pode estar dentro da CCC (Colocate) ou em uma central independente (Stand Alone), o qual contém o cadastro e localização dos assinantes registrados em uma determinada MSC/VLR. O VLR (Visit Location Register) contém toda a informação administrativa dos assinantes registrados e validados pelo HLR. Tanto os assinantes locais (Home) quanto dos visitantes (Roamers) são registrados com endereços de visitantes, e são identificadas se estão em uma área de localização ou área de serviço. Nos sistemas CDMA e GSM é usado, também, a BSC (Base Station Controller), parte da CCC responsável pelo gerenciamento das ERB s. Através do BSC a CCC tem o estado de todas as ERB s do sistema como, por exemplo, alarmes e configurações. Pela BSC, os técnicos da central também podem efetuar a operação e manutenção da rede. O controlador também é composto da MSC (Mobile Switching Center) que controla as comutações entre os troncos da PSTN (Rede Telefônica Pública Comutada) e os canais das ERB s vinculadas a esta. A CCC em geral realiza funções como administrar o sistema celular em termos de comutação de circuitos, alocação de canais, supervisão das ERB s, encaminhamento de tráfego, estatística e controle de tráfego, procedimento de handoff, procedimentos de registro de EM s locais, registro de roaming para EM s visitantes, bilhetagem, tarifação e associação de canais (fatores de limitação do sistema), alocação de freqüência, controle do nível de potência das EMs, procedimento de handoff, rastreamento e localização (CCC deve enviar mensagens curtas - paging através das ERB s e esperar uma resposta por parte da EM). Portanto, a capacidade de processamento da unidade de controle nas CCC s é maior que nos sistemas de telefonia fixa. A unidade de comutação é similar ao das centrais telefônicas fixas, mas seu processamento é diferente. Na comutação telefônica fixa, a duração da chamada não é fator relevante ao sistema, enquanto que, em um sistema de comunicação móvel celular essa duração é função do gerenciamento dos canais e do número de handoff s processados Handoff É a transferência de uma chamada de uma célula para outra na mesma central de comutação e controle (CCC), permitindo a mobilidade. EM (estação móvel) pode estar, neste momento, em uma célula

37 e se deslocar para outra. Assim, a EM que estava sob comando da primeira célula passa a ser comandado pela nova célula. A responsável pela troca de comando é a ERB e ocorre constantemente sem que o usuário perceba. Quando neste mesmo cenário ocorre a troca de freqüência e de ERB s por parte do aparelho e inclusive em CCC diferentes dá-se o nome de Intersystem Handoff - o aparelho troca de ERB e também de CCC. Isto acontece, geralmente, em grandes centros onde devido ao tráfego, uma só CCC não absorve a demanda de uma cidade.[22] Roaming Roaming é um tipo de handoff, só que não de uma célula para outra, mas sim, de uma CCC para outra, sendo um conjunto de funções de rede para permitir o assinante celular obter o serviço de telefonia móvel, fora de área de seu provedor de serviço. Dentre suas funções estão: qualificação de serviço, localização, verificação de estado da estação móvel e restauração dos dados nos registros de localização HLR e VLR após a recuperação da falha. Existem os celulares que fazem o roaming internacional via satélite e seu aparelho nunca estará fora de área. É o caso da Globalstar e o instinto projeto Irídium. [23] IS-41/ MAP Estes protocolos foram desenvolvidos e vêm sendo atualizados por Subcomitês da TIA (Telecommunications Industry Association), objetivando atender às necessidades dos usuários de um sistema móvel celular como registro e cancelamento automático, envio de SMS e etc, permitindo que os aparelhos celulares móveis recebam e gerem chamadas sem necessidades da intervenção de operadoras (roaming automático) e manutenção das chamadas estabelecidas quando em deslocamento, passando para outras áreas de cobertura (handoff intersistemas). Estes protocolos realizam a troca de informações e dados entre equipamentos de uma mesma ou diferentes Empresas/Operadoras, possibilitando a operação, a administração e a manutenção automática do Sistema Móvel Celular.

38 Dentre as principais aplicações e funções destacam-se o PCS (Serviço de Comunicação Pessoal), Roaming International, aumento de funções na estação móvel, sistemas de correio de voz e portal de voz, gerência de mobilidade, inclusive QoS, autenticação/criptografia, handoff s intersistemas, processamento de chamadas e O&M. Estes protocolos utilizam a estrutura da camada OSI. [24] Conclusão Uma visão geral e conhecimentos básicos sobre o sistema de comunicação Móvel foram apresentados, desde os conceitos aos termos técnicos como também, características de serviços e interfaces de acesso. Os termos mais utilizados em uma rede móvel encontram-se detalhados, como preparação para uma abordagem nos caminhos de evolução do sistema móvel e da rede GSM/ GPRS. No próximo capítulo, será mostrada a arquitetura da Rede Celular GSM.

39 3 - Arquitetura Celular GSM O GSM (Global System for Mobile Communication) é o sistema de telefonia móvel celular criado na Europa e agora adotado em muitos outros países fora do Velho Continente. Geralmente, uma rede celular GSM pode ser dividida em três partes: a estação móvel celular (EM), a infra-estrutura de rádio celular ou subsistema rádio base (BSC e BTS) e o centro de controle de rede ou subsistema de rede (MSC/HLR/VLR/EIR/AuC). [25] A figura 3.1 mostra a estrutura básica de uma rede GSM:

40 Figura Estrutura de uma rede GSM. [26] Componentes de uma Rede GSM Neste tópico será realizado o detalhamento dos componentes de uma rede GSM Estação Móvel Nesta rede, o telefone móvel está dividido em dois componentes: o aparelho e o cartão SIM (Subscriber Identity Module). O cartão SIM é o núcleo de qualquer rede GSM e contém um IMSI (International Mobile Subscriber Identity) que é único e no qual possui uma chave para autenticação, assim como o terminal IMEI (International Mobile Equipment Identity). Com este sistema, é possível transferir o cartão SIM de um aparelho para outro e ainda assim, receber todas as chamadas e os serviços

41 destes assinantes permitindo a mobilidade pessoal. A EM quando em operação realizam trocas de mensagens com a ERB como: Pedido do móvel para acessar um canal e efetuar uma chamada; Registro do móvel na área de serviço atual ou de outra MSC; Mensagem de alocação de canal para o móvel, oriunda da ERB; Mensagem de handoff oriunda da estação base, para que o móvel sintonize outro canal. Uma estação móvel somente utiliza 1,15 ms (milisegundos) do total de 4,61 ms (milisegundos) do quadro para transmitir e receber mensagens da ERB. O tempo restante é empregado pelo terminal móvel para medir o nível de sinal e estimar a taxa de erro BER (Bit Error Rate) de sua ERB e das demais situadas em suas vizinhanças (até o máximo de 32 ERB s). Com resultados destas medidas é feita a média durante um determinado período de tempo (480 ms no caso do GSM) e os seus 6 níveis de maior intensidade são enviados por um canal de controle à ERB que avalia os dados recebidos, e se for caso, determina para que nova ERB deverá ser transferido o terminal móvel (MAHO Mobile Assisted Handoff). [27] Subsistema Estação Base - BSS (ERB/RBS/BTS/BSC) O Sistema Estação Base (BSS) é formado por uma estação transceptora Base (BTS) e um Controlador de Estação Base (BSC), que gerencia a configuração de canais, saltos de freqüências, processo de entrega de chamada e os handoff s. É comum que diversas BTS estejam localizadas em um mesmo local, criando de 2 a 4 células setorizadas ao redor de uma torre de antena comum, que poderá conter de 1 a 16 transmissores/ receptores de rádio, de acordo com as exigências de capacidade. As BSC s são freqüentemente ligadas a BTS por links de microondas ou fibras óticas. O link do BSC a BTS é chamado de interface Abis. Tipicamente de 20 a 30 BTS serão controladas por um BSC. [28] Subsistema de Rede

42 O principal componente do subsistema de Rede é o MSC ou CCC, que se encarrega de fazer a comutação de chamadas entre estações móveis ou entre uma estação móvel e um terminal fixo. Comporta-se como um nó de comutação de PSTN (Public Switched Telephone Network) ou ISDN, e, adicionalmente, providencia toda a funcionalidade necessária para o tratamento de um assinante móvel realizando o registro, autenticação, atualização da localização, transição entre células (handoff) e gerenciamento de um assinante em roaming. Estes serviços são providenciados em conjunto com várias entidades funcionais que, juntas, formam o subsistema rede: MSC, HLR, VLR, EIR, AuC. [29] O HLR, VLR e MSC, em conjunto providenciam as capacidades de roaming da rede GSM. O HLR (Home Location Register) contém toda a informação administrativa de todos os assinante registrados em uma correspondente rede GSM, juntamente com a localização da estação móvel. A localização da estação móvel está geralmente na forma do endereçamento do VLR (Visitior Location Register) que libera um registro do assinante em sua área de acordo com as informações recebidas do HLR. As informações fornecidas pelo VLR são necessárias para controlar a chamada e providenciar os serviços de cada assinante, situado dentro de uma determinada área de controle. Outros dois elementos de rede são usados para segurança e autenticação: EIR (Equipment Identity Register) é uma base de dados que contém listagens de todos os equipamentos móveis válidos na rede, onde todas as estações móveis são identificadas pelo IMEI. Um IMEI é considerado como inválido se declarado como roubado ou incompatível com a rede; AuC (Autentification Center) é uma base de dados protegida que guarda uma cópia do código de cada SIM, que é usado para autenticar e encriptar através do canal de rádio. [30] Estrutura de Canais (Interface de Ar) O sistema celular GSM utiliza basicamente a largura de faixa do sistema TDMA, que permite num quadro, oito chamadas simultâneas sobre a mesma rádio freqüência. A natureza do sinal digital TDMA permite a utilização de vários processos para melhorar a qualidade de transmissão, o tempo de vida útil da bateria, a eficiência espectral, utilizando, por exemplo, de controle de potência, que minimiza ou maximiza a potência de transmissão das estações móveis e da BTS, e assim diminui o risco de

43 interferência gerada nos canais e o consumo de energia. A figura 3.2 mostra a estrutura de canal do GSM utilizando o quadro TDMA: Figura Quadro TDMA de GSM. [31] Codificação de canal e voz A voz em GSM é codificada digitalmente a uma taxa de 13 Kbps (260 bits cada 20 ms). Com a adição de código para a correção de erros, consegue-se a ter uma taxa de 22.8 Kbps (456 bits cada 20 ms). Estes 456 bits são divididos em 8 blocos de 57 bits, e o resultado é o envio de 8 slots de tempo sucessivos, com proteção contra erros de transmissão. Cada envio tem bits contém 2 blocos de 57 bits (sinal útil real); uma seqüência de treinamento ou de amarre de 26 bits usada para equalização de bits; os tail bits - 3 bits ao início e ao final usados como tempo de guarda para compensar os tempos de subida e descida da rajada; 2 bits de bandeira de roubo: 1 bit antes e 1 bit depois da seqüência de amarre que indicam ao receptor se a rajada contém sinalização ou dados de usuário; e o período de guarda de 8,25 bits que na verdade é mais um tempo onde não se transmite dados. Cada envio é transmitido em ms para uma taxa total de Kbps, e é modulada usando GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) numa portadora de 200 KHz. O controle de erro e equalização contribui para a robustez do sinal rádio contra interferência e atenuação na transmissão. A modulação GMSK é uma variação da MSK, onde o sinal a ser transmitido, antes de entrar no modulador, passa por um filtro gaussiano. A vantagem desta técnica de modulação é o